ارزیابی کارایی مدل هیدرولوژیکی-توزیعی WetSpa برای شبیه ‎سازی رواناب در حوزه آبخیز سرباز سیستان و بلوچستان

چکیده مبسوط مقدمه: کاربرد مدل‎ های هیدرولوژیکی در حوزه ‎های آبخیز همواره موردتوجه محققین منابع آب بوده است. این موضوع در مناطق خشک و نیمه‎ خشک به‎ دلیل پیچیدگی بیشتر فرآیندهای هیدرولوژیکی در این مناطق، از اهمیت ویژه‎ ای برخوردار است. بهره برداری و استفاده مطلوب از منابع آب و مدیریت بهینه آن مستلزم شناخت بهتر مدل‎ های هیدرولوژیکی است. بارش و به ‎دنبال آن تشکیل رواناب سطحی از فازهای مهم چرخه‎ ی هیدرولوژیکی هستند. با توجه به شرایط موجود در بسیاری از حوزه ‎های آبخیز کشور از لحاظ کمبود آمار، پیچیدگی زیاد اکوسیستم‎ های هیدرولوژیکی و عدم امکان شناخت کامل آن‎ها، استفاده از روش ‎هایی که بتوانند با کمک آن‎ها میزان رواناب حاصل از بارندگی را در حوزه ‎های آبخیز فاقد آمار یا آمار ناقص تخمین زد از اهمیت قابل‎ توجهی برخوردار است. مدل ‎های بارش – رواناب توانایی شبیه‎ سازی فرآیندهای داخل حوضه را دارند و ابزاری جهت تعیین رواناب و مطالعه فرایندهای هیدرولوژیکی هستند. هدف از تحقیق حاضر، ارزیابی کارایی مدل هیدرولوژیکی-توزیعیWetSpa  برای شبیه‎ سازی رواناب در حوزه آبخیز سرباز سیستان و بلوچستان است. مواد و روش ‎ها: حوزه آبخیز سرباز با مساحت ۶۳۲۴/۲۹ کیلومتر مربع در استان سیستان و بلوچستان واقع شده است. دبی پایه رودخانه سرباز کم ولی دبی سیلابی آن حتی برای دوره ‎های بازگشت پایین قابل ‎توجه است. جهت شبیه ‎سازی رواناب این حوضه از مدل WetSpa استفاده شد. WetSpa یک مدل توزیعی، پیوسته و فیزیکی با گام زمانی روزانه یا ساعتی است که فرآیندهای بارش، رواناب و تبخیر و تعرق را برای هر دو زمینه ساده و پیچیده شرح می ‎دهد. این مدل ابتدا تعادل آب در زون ریشه را محاسبه می‎ کند، چون این مهمترین بخش در نگه داشت آب است و همچنین این بخش کنترل کننده حجم رواناب سطحی و زیرسطحی، تبخیر و تعرق و دبی آب زیرزمینی است. WetSpa برای محاسبه رواناب از روش استدلالی اصلاح شده و برای تخمین رواناب ناشی از ذوب برف از روش ضریب روز- درجه استفاده می‎ نماید. در این مطالعه، ابتدا مقادیر اولیه پارامترها تعیین و مدل به‎ صورت دستی واسنجی شد. سپس از نرم‎ افزار PEST جهت حصول نتایج دقیق ‎تر در واسنجی استفاده گردید. نرم ‎افزار PEST طبق الگوریتم موجود در خود به‎ صورت مرحله به مرحله پارامترها را مطابقت می ‎دهد و اجرای برنامه به‎ روش جستجوی محلی تکرار می ‎شود تا زمانی‎ که بهترین مقدار پارامترها به ‎دست آیند. برای اجرای مدل از داده‎ های روزانه بارش، دما و تبخیر برای سال ‎های آماری ۱۴۰۱-۱۳۹۷ استفاده گردید. از این دوره آماری، سال‎های ۱۳۹۹-۱۳۹۷ برای واسنجی مدل و سال ‎های ۱۴۰۱-۱۳۹۹ برای ارزیابی مدل در نظر گرفته شدند. به‎ منظور ارزیابی کارایی مدل در مرحله واسنجی و اعتبارسنجی، از شاخص ‎های ارزیابی نش- ساتکلیف، مجذور میانگین مربعات خطا و بیاس مدل استفاده شد. یافته‎ها: پس از آماده ‎سازی مدل WetSpa براساس داده‎ های روزانه دبی، بارش، دما، تبخیر و نقشه‎ های کاربری اراضی، بافت خاک و نقشه رقومی ارتفاع، مدل برای دو دوره واسنجی و اعتبارسنجی اجرا گردید. نتایج شبیه ‎سازی تطابق نسبتا خوبی را بین هیدروگراف‎ های محاسبه شده و اندازه ‎گیری شده به‎ خصوص در دوره واسنجی در خروجی حوضه نشان دادند. مدل بر اساس معیار نش- ساتکلیف کلی، هیدروگراف‎ های روزانه را با دقتی بیش از ۶۹/۰۲ درصد برای دوره واسنجی و بر اساس معیار تطبیق داده شده نش- ساتکلیف برای دبی‎ های حداکثر با دقت ۸۸/۱۸ درصد را نشان داد. در دوره اعتبارسنجی نیز مدل براساس معیار نش- ساتکلیف کلی، هیدروگراف ‎های روزانه را با دقتی بیش از ۵۷/۴ درصد و بر اساس معیار تطبیق داده شده نش- ساتکلیف برای دبی‎ های حداکثر جریان را با دقتی برابر ۶۹/۳۹ درصد شبیه‎ سازی کرد. مدل در برآورد جریان‎ های بالا کاراتر از جریان‎ های با دبی کم بود ولی در مجموع، مدل جریان کل را با دقت قابل‎ قبولی شبیه‎ سازی کرد. مدل در مرحله اعتبارسنجی در برخی مقاطع دبی را به‎ خوبی شبیه‎ سازی نکرد که این موضوع می ‎تواند ناشی از ساختار مدل، به شرایط حوزه و یا داده‎ ها مربوط شود. نتایج نشان دادند که پاسخ مدل به بارش در حوزه منطقی بود. بنابر این، عدم شبیه ‎سازی در نواحی مشخص شده می‎ تواند ناشی از شرایط حوزه و یا اشکال در داده‎ های ثبت شده باشد. طبق بررسی‎ های صورت گرفته در سطح حوزه، قبل از ایستگاه هیدرومتری خروجی، کانال انتقال جهت استحصال آب احداث شده است که این امر سبب بیشتر شدن میزان دبی شبیه ‎سازی شده از میزان مشاهداتی می ‎شود که این عدم شبیه‎ سازی دقیق ناشی از احداث همین بند می‎ باشد و این نشان ‎دهنده آن است که در مواردی که نتایج شبیه‎ سازی مناسب نبوده است با عدم کارایی مدل ارتباطی ندارد. نتیجه‎ گیری: نتایج شاخص‎ های ارزیابی در مرحله واسنجی و اعتبارسنجی مشخص می‎ کنند که مدل از کارایی لازم جهت شبیه‎ سازی جریان در حوزه آبخیز سرباز برخوردار است. با توجه به بررسی‎ های انجام شده، اکثر مطالعات مربوط به مدلWetSpa در شرایط مرطوب و نیمه‎ مرطوب بیشتر کشورهای اروپایی استفاده و کارایی مناسب مدل در این شرایط تایید شده است. اما با توجه به این‎که بخش عظیمی از کشور ما دارای اقلیم خشک و نیمه‎ خشک است، ضروری است که کارایی این مدل در مناطق خشک و نیمه ‎خشک کشور نیز ارزیابی گردد. از آن جهت که شرایط اقلیمی حوزه آبخیز سرباز خشک تا نیمه‎ خشک است، نتایج تحقیق حاکی از آن هستند که مدل WetSpa در این شرایط اقلیمی نیز از کارایی لازم جهت شبیه‎ سازی هیدروگراف برخوردار است.

کلیدواژه ها:

Calibration ، Flow simulation ، Validation ، Sarzab watershed ، WetSpa hydrological-distributed model ، اعتبارسنجی ، حوزه آبخیز سرباز ، شبیه‎ سازی جریان ، مدل هیدرولو‍‍‍ژیکی-توزیعی WetSpa ، واسنجی